DE2361385A1 - Mechanoelektrischer wandler zur gleichzeitigen ermittlung mehrerer translationsund/oder rotationskomponenten eines objektes - Google Patents

Description

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 34 Göttingen, Bunsenstraße 10

Mechanoelektrischer Wandler zur gleichzeitigen Ermittlung mehrerer Translations- und/oder Rotationskomponenten eines Objektes

Die Erfindung betrifft einen mechanoelektrischen Wandler zur gleichzeitigen berührungs- und rückwirkungsfreien Ermittlung mehrerer Translations- und/oder Rotationskomponenten der Bewegung oder Stellung eines mit dem Wandler insbesondere induktiv mittels eines Ferritkörpers gekoppelten Objektes, mit einer Rechenschaltung, welche den Komponenten der Abweichung des Objektes von einer gegebenen Ausgangsstellung nach Vorzeichen und Größe entsprechende Signale erzeugt.

Differentialtransformatoren und Differentialdrosseln werden in der elektrischen Meßtechnik häufig zur Bestimmung von jeweils einer einzigen Bewegungskomponente verwendet. Sie arbeiten im allgemeinen berührungsfrei und enthalten im Gegensatz zu Vorrichtungen mit Stellpotentiometern oder dgl. keine Verschleißteile. Die bekannten Differentialtransformatoren haben gewöhnlich zwei Sekundärwicklungen, die zu beiden Seiten einer zentralen Primärspule angeordnet sind, und deren induktive Kopplung durch einen beweglichen Ferritkörper gegensinnig verändert werden kann. Die bei ungleicher induktiver Kopplung ent-

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stchcndc Differenzspannung der Sekundärwicklungen kann durch phasenabhängige Gleichrichtung in ein Gleichspannungssignal verwandelt werden, dessen Vorzeichen und Größe der Längsbewegung des Ferritkörpers aus einer Mittellage heraus entspricht. Erfolgt die Verschiebung des Ferritkörpers auf einer vorgegebenen Kreisbahn, so kann das Gleichspannungssignal zur Messung der Drehbewegung um den Kreismittelpunkt verwendet werden. Bei den bekannten Differentialdrosseln wird eine gewisse Vereinfachung des Prinzips durch den Fortfall der Primärerregungsspule erreicht. Die verbleibenden Sekundärspulen sind in diesem Fall als Drosselspulen aufzufassen, deren Wechselstromwiderstände von der Lage des Ferritkörpers abhängen. Das lageabhängige elektrische Signal wird in diesem Fall in analoger Weise aus der Differenz der Wechselstromv/ider stände, z.B. mithilf e einer geeigneten Brückenschaltung gewonnen. In manchen Fällen ist es notwendig, zwei oder mehr Bewegungskomponenten eines Objekts gleichzeitig zu erfassen. Die bekannten Differentialtransformatoren bzv/. -drosseln sind als Einkomponenten-Meßwandler hierfür ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Wandler anzugeben, mit der zwei oder mehr Translations- bzw. Rotationskomponenten der Bewegung oder Stellung eines Objekts gleichzeitig erfaßt werden können.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die im Patentanspruch angegebene Vorrichtung.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch geeignete Kombinationen von drei oder mehr Ausgangsspannungen eines Mehrkomponenten-Differentialtransformators , bzw. drei oder mehr Ausgangsimpedanzen einer Mehrkomponenten-Differentialdrossel lassen sich erfindungsgemäß aus den entsprechenden Summen- bzw. Differenzsignalen in einfacher Weise z.B. die drei Bewegungskomponenten Längsbewegung (L) , Querbewegung (Q)

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BAD ORIGiMAL

und Drehbewegung (D) eines fcrritischon Objekts in einer Flienc herleiten. Kenn man ein anisometrisches ferritisches Objekt von unterschiedlicher Länge, Breite und Höhe zwischen zwei Differentia !transformatoren oder- drosseln der hier beschriebenen Art anordnet, kann man aus den Ausgangsspannungen sechs Signale ableiten, die den möglichen Rotations- und Translationskoinponenten der Bewegungen in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen entsprechen. Die genannten Vorrichtungen eignen sich besonders zur Steuerung von Servosystemen, mit denen ein Objekt bzw. eine Anzahl gleichartiger Objekte nacheinander in eine genau vorgegebene Position und Richtung in der Ebene bzw. im Raum gebracht und dort konstant gehalten werden sollen. Entsprechende Aufgaben entstehen bei der automatischen Bearbeitung bzw. dem Einbau kleiner empfindlicher mechanischer, optischer oder elektronischer Werkstücke. Zu diesem Zweck werden die Werkstücke zunächst mit einer Paßform zur Aufnahme eines geeigneten Ferritkörpers versehen und nach Einsetzen des Ferritkörpers in die Nähe des mechanoelektrischen Wandlers gebracht. Bei kleinen Werkstücken wird ein Ferritkörper von wenigen Milligramm Gewicht im allgemeinen ausreichen. Die Verschiebung des Werkstücks aus der Sollage erzeugt ein oder mehrere von Null verschiedene Ausgangssignale. Jedes dieser Signale kann über einen nachgeschalteten Leistungsverstärker und einen Servoantrieb eine Gegenbewegung bewirken/ die das zugeordnete Ausgangssignal vermindert. Das Servosystem kommt zum Stillstand , wenn das Werkstück die Sollposition genau einnimmt, d.h. wenn alle Ausgangssignale durch die mechanische Gegenkopplung auf Null abgeglichen sind.

Allgemein können die Ausgangsgrößen des hier beschriebenen Mehr-"-koinponentenwandlers geeigneten Servosystemen zugeführt werden, die entweder die Rückstellung eines Werkstücks in die Ausgängsstellung oder die überführung eines Werkstücks in eine vorgegebene Sollstellung oder die bewegungskonforme Mitführung des Mehrkomponentenwandlers mit dem bewegten Werkstück selbsttätig dadurch bewirken, daß ihre Bewegungen den Regelabweichungen der

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Stollungskoniponenton stets entgegengerichtet sind.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 einen der Erfindung entsprechenden Dreikomponenten-Differcntialtransformator mit fünf Spulen zur Ermittlung der Längs-, Quer- und Drehkomponente der Bewegung eines ferritischen Objekts in einer Ebene;

Figur 2A ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die erforderlichen Rechenoperationen zur Ermittlung der Längs-, Quer- und Drehkomponente im Analogverfahren mit Hilfe von Summen- und Differenzverstärkern durchgeführt v/erden, und zwar für einen Differentialtransformator;

Figur 2B ein Figur 2A entsprechendes Ausführungsbeispiel, je-.docii für eine Differentialdrossel;

Figur 3 eine bevorzugte Ausführungsform der in Figur 2 verwendeten speziellen Eingangsverstärker mit Demodulator.

Figur 4A ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Rechenoperationen zur Ermittlung der Längs-, Quer- und Drehkomponente der Bewegung bereits durch geeignete Zusammenschaltung der Signale in getrennten Wicklungsgruppen des Dreikomponenten-Wandlers gewonnen werden;

Figur 4B eine Abwandlung der Figur 4A für eine Differentialdrossel; und

Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur vollständigen Ermittlung beliebiger Bewegungen oder Stellungen eines Objekts im Raum durch gleichzeitige Erfassung der Translations- und Rotationskomponenten in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen.

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Der in Figur 1 schematisch dargestellte Dreikomponenten-Differentialtransformator erfaßt als mechanoelektrischer Wandler gleichzeitig die Vorwärts- ,Seitwärts- und Drehkomponente der Bewegung eines länglichen ferritischen Objekts 10 in einer Ebene. Das Objekt ist schraffiert: dargestellt. Es besteht z.B. aus einem dünnen Streifen eines Werkstoffs mit hoher magnetischer Permeabilität. Der Differentialtransformator enthält auf einer rechteckigen Ferritplatte 11 fünf Magnetpole, von denen sich einer in der Mitte und die anderen symmetrisch an den vier Ecken der Platte befinden. Auf dem zentralen Magnetpol ist eine-Primärwicklung W angeordnet, die von einem Generator z.B. mit einer 50 kHz-Wechselspannung gespeist wird und ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt. (Bei einer entsprechenden Dreikomponenten-Differentialdrossel entfällt die Bewicklung und Erregung des zentralen Magnetpols). Auf den an den Rändern befindlichen Magnetpolen sitzen jeweils die Sekundärwicklungen W₁, W2, W^ bzw. W*, die untereinander gleiche Anteile des Magnetflusses empfangen, solange das Magnetfeld nicht durch ein in der Nähe befindliches ferritisches Objekt 10 unsymmetrisch verzerrt wird. Zwischen den in den einzelnen Sekundärwicklungen induzierten Wechselspannungen (bzw. zwischen den"Impedanzen der einzelnen Drosselwicklungen einer entsprechenden Differentialdrossel) treten charakteristische Differenzen auf, wenn das schraffiert gezeichnete Objekt 10 in der dargestellten Weise aus seiner zentralen Gleichgewichtslage und -richtung versetzt bzw. gedreht wird. Unter der Voraussetzung, daß die Abweichungen des Objekts von der Gleichgewichtslage und -richtung klein im Vergleich zum Polabstand des Mehrkoraponentenwandlers sind, erhält man durch die folgenden Rechenoperationen aus den induzierten Spannungen (bzw. Impedanzen) S₁ bis S^ der Spulen W₁ bis W₄ eindeutige Beziehungen für die Längs-, Qüer- und Drehkomponente dieser Abweichungen:

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Längskomponente K_T ** ( + S, + S~ - S-, - S.)

Jj χ/ίόΗ

Querkomponente K_n " ( - S₁ + S₉ + S- - S-)

vi X Δ ό Η

Drehkomponente K_D " ( - S, + S₉ - S₃ + S.)

Figur 2Λ und 2B veranschaulichen ein elektrisches Analogverfahren zur Durchführung der erforderlichen Rechenoperationen. Gemäß Figur 2Λ werden drei geeignete Operationsverstärker OPV mit ja zwei invertierenden (-) und zwei nichtinvertierenden (+) Eingängen verwendet. Die vier Sekundär-Wicklungen W₁ bis W₄ des in Figur 1 gezeigten Wandlers sind mit den vier Eingängen der Verstärker so verbunden, daß die Ausgangsspannung jeweils der gewünschten algebraischen Summe der Eingangssignale Si bis S^ entspricht. Der Frequenz-Generator GEN liefert eine konstante Wechselspannung von beispielsweise 50 kHz zur Erregung des Differentialtransformators über die Primärwicklung W_p und steuert gleichzeitig die Demodulatoren DEM, mit denen die Ausgangsspannungen der Eingangsverstärker phasenabhängig gleichgerichtet werden.

Verwendet man an Stelle des Differentialtransformators eine Differentialdrossel, so entfällt die induktive Erregung über die Primärwicklung W_p. Man erhält in diesem Fall die entsprechenden Eingangsspannungen S₁ bis S₄ , indem man den Generatorstrom jeweils über einen konstanten Widerstand R durch die Drosselwicklungen DW bis DW₄ schickt (Figur 2B).

Die an diesen Wicklungen abfallenden Wechselspannungen entsprechen den Impedanzen der Spulen und können mit dem in Figur 2A bzw. B veranschaulichten Analogverfahren miteinander verrechnet werden. In beiden Fällen kann man aus dem Vorzeichen und der Größe der demodulierten Gleichspannungssignale, d.h. der Komponenten K₇. , Κ_Λ und K_n die Richtung und Stärke der Auslenkung des ferritischen Objekts entsprechend beliebigen Längs-, Quer- und Drehbewegungen vollständig entnehmen.

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Analor,schaltungen zur Addition und/oder Subtraktion mehrerer · elektrischer Signale sowie Schaltungen zur phasenabhängigen Demodulation von Wechselspannungen sind an sich in zahlreichen Ausführungen bekannt. Eine wegen ihrer Einfachheit bevorzugte Ausführungsform ist Figur 3 zu entnehmen. Die Verrechnung der Eingangssignale erfolgt mit einein Differenzverstärker OPV 1 in Form einer integrierten Schaltung mit zwei invertierenden (-) und zwei nichtinvertierenden (+) Eingängen 1-4. Die Verrechnung von mehr als vier Signalen ist durch entsprechende Erweiterung der Zahl der Eingänge im Prinzip möglich. Die Demodulation der resultierenden Wechselspannung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Sehaltgliedes wie eines Feldeffekttransistors FET, der das Ausgangssignal z.B. während der negativen Halbwelle der Erregurigsspannung unterdrückt, wozu mit seiner Steuerelektrode über eine Diode der weitere Operations- bzw. Differenzverstärker OPV 2 gekoppelt ist, an dessen einem Eingang die Erregungsspannung liegt.

Das Ausgangssignal wird auf diese Weise phasenabhängig gleichgerichtet Und steht nach anschließender Glättung durch einen geeigneten Tiefpaß als Gleichspannungssignal mit phasenabhän-. gigem Vorzeichen für Steuerungs-, Meß- und Regelzwecke zur Verfügung. , . ;

Das in Figur 2A bzw. 2B dargestellte Analogverfahren zur Verrechnung der Signale S, bis S. läßt sich unter bestimmten Voraussetzungen vorteilhaft vereinfachen, indem man die Signare unter Berücksichtigung der Phasenlage additiv bzw. subtraktiv so hintereinanderschaltet, daß die gewünschte Rechenoperation unmittelbar zustande kommt. Für jede gleichzeitig durchzuführende Rechenoperation wird in diesem Fall jedoch eine gesonderte Gruppe von Wicklungen benötigt.

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Fifjur 4Λ veranschaulicht die gleichzeitige Bestimmung der Komponenten K- , K_ und Κ_. durch geeignete Verschaltung der c^uivalonton Wicklungsgruppen W₁₁ bis W₁. , W₃₁ bis W_?4 und W^₁ bis W__/}. In diesem Fall trägt jeder der äußeren Magnetpole der Vorrichtung in Figur 1 drei gleiche Wicklungen. Verwendet man eine entsprechende Differcntialdrossel mit drei Wicklungsgruppen DW₁₁ bis DW₁^, DW₃₁ bis DW₂- und DW₃₁ bis DW.,*, bei der die induktive Erregung über eine Primärwicklung W_p entfällt, so lassen sich ausden vier Wicklungen einer Gruppe die vier Zweige einer Wechselstromwiderstandsbrücke derart bilden, daß die rtullspannung der Brücke bei hinreichend kleiner Abweichung des Objekts von der Ausgangslage annähernd der gewünschten Rechenoperation entspricht (Figur 4B). Die Ausgangsspannungen der Wicklungsgruppen des Differentialtransformators werden ebenso wie die Nullspannungen der Wechselstromwiderstandsbrükken der Differentialdrossel in geeigneter Weise verstärkt und phasenabhängig demoduliert.

Die bisher behandelten Ausführungsbeispiele zur Bestimmung der drei Komponenten der Bewegung eines Objekts in einer Ebene lassen sich unschwer modifizieren oder erweitern, wenn andere oder mehr Bewegungskomponenten gleichzeitig gemessen werden sollen. Figur 5 zeigt die wesentlichen Merkmale eines Ausführungsbeispiels zur vollständigen Ermittlung beliebiger Bewegungen oder Stellungen eines Objekts im Raum, das auf der gleichzeitigen Bestimmung der Translations- und Rotationskomponenten in den drei zueinander senkrechten Raumrichtungen X,Y und Z beruht. Die Vorrichtung besteht aus zwei einander deckungsgleich gegenüberstehenden phasengleich erregten Differentialtransformatoren bzw. unerregten Differentialdrosseln der in Figur 1, veranschaulichten Ausführung. Das ferritische Meßobjekt 20 im freien Raum zwischen den beiden Wicklungsgruppen W₁ bis W'_l4 und W'₂₁ bis W₃₄ ist anisometrisch in Bezug auf seine Länge, Breite und Höhe. Unter der Voraussetzung

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BAD ORIGfNAL

daß die beliebig gerichteten Abweichungen von der Ruhestellung des Objekts klein im Vergleich zu den Polnbstiinden des Sechskomponcntenwandlers sind, ergeben sich unmittelbar aus Figur folgende eindeutige Beziehungen zwischen den Translationskomponcn.ten T_v, T_v, T₁₇ und den Rotationskomponenten R_v, R_v, R„ der

Λ X Δ Λ ι /j

Abweichungen einerseits und den induzierten Spannungen bzw. Impedanzen Sj, bis S.^ und S-j_- bis S-^ der beiden Spulengruppen andererseits:

^TX " ⁽"^S11 ^{+ S}12 ^{+ S}13 " ^Sl4 " ^S21 ^{+ S}22 ^{+ S}23 ^TY " ^(+Sll ^{+ S}12 " ^S13 " ^S14 ^{+ S}21 ^{+ S}22 " ^S23 ^TZ ".^(+Sll ^{+ S}12 ^{+ S}13 ^{+ S}14 " ^S21 " ^S22 " ^S23

R*· / _i_o -i- o «■ o «■ ό ■»" es mm c Λλ c Am α \

Λ X X Χ'Λ XO X" <S X £ι £* , Zt-J ^ ~χ

R_Y - (+S₁₁ - S₁₂ - S₁₃ + S₁₄ - S₂₁ + S₂^ + S₂₃ - S₂₄)

^RZ ^t+bll ^b12- ^bl3 ^bl4 · ^fa21 ^b22 ^{+ b}23 ^b24^;

Die verschiedenen oben beschriebenen Verfahren zur Durchführung der Rechenoperation lassen sich sinngemäß auf diese Beziehungen anwenden. Wegen der Beschränkung auf vergleichsweise kleine Abweichungen des Objekts von der Ausgangsstellung ist der Sechskomponentenwandler besonders zur Steuerung eines bewegungskompensierenden Servosystems geeignet, das die Rückstellung des Objekts in die Ausgangsposition bewirkt oder aber eine bewegungskonforme Mitführung des Wandlers mit dem belie big bewegten Objekt veranlaßt.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   ( l.Ä Mechanoclcktrischer Wandler zur gleichzeitigen, berührungs- und rückv/irkungsfreien Ermittlung mehrerer Translations- und/ odor Rotationskomponenten der Bewegung oder Stellung eines mit dem Wandler insbesondere induktiv mittels eines Ferritkörpers gekoppelten Objektes, mit einer Rechenschaltung, welche den Komponenten der Abweichung des Objektes von einer gegebenen Ausgangsstellung nach Vorzeichen und Größe entsprechende Signale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale der Rechenschaltung von mindestens drei bezüglich des Objektes (10,20) räumlich verteilten Gebern (z.B. W. bis W.) des Wandlers erzeugt werden, und daß die Ausgangsspannungen der Rechenschaltung für jede der zu ermit^ telnden Komponenten von je einem Demodulator (DEM) phasenabhängig demoduliert werden.
2. 2.) Wandler nach Anspruch 1, d a du r ch gekennzei chnet, daß die induktiven Geber drei oder mehr räumlich getrennte Sekundär spulen (W bis W*, W', bis W'.) oder Gruppen von Sekundärspulen (W₁₁ bis W_{34) eineg Differentialtransforma}_ tors sind, aus deren induzierten Wechselspannungen im Falle einzelner Sekundärspulen eine elektrische Analogschaltung mit einem Differenzverstärker (OPV 1) die einzelnen Komponenten errechnet (Figur 2A) , während im Falle von drei oder mehr Sekundär spulengruppen die Komponenten durch je eine Reihenschaltung mehrerer Spulen direkt aus den Wechselspannungen errechnet werden (Figur 4A).
3. 3.) Wandler nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die induktiven Geber drei oder mehr räumlich getrennte Drosselwicklungen (DW₁ bis DW₄) oder Gruppen von Drosselwicklungen (DW₁₁ bis DW₃₄) einer Differentialdrossel

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   sind, und daß die Komponenten aus den Impedanzen der Wicklungen mittels je einer Ahalogschartung (Figur 2B) oder im Falle von drei oder mehr Wicklungsgruppen direkt durch Anordnung der Wicklungen in den Zweigen von je einer Wechselströmwiderstandsbrücke für. jede Komponente errechnet werden (Figur 4B) .
4. 4.) Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a durch g e k en η ze i c h η e t , daß zur gleichzeitigen Ermittlung aller Komponenten der Bewegung oder Stellung eines anisometrischen Objektes (20) insbesondere mit einem Ferritkörper im Raum zwei räumlich getrennte Anordnungen von Gebern (W₁₁ bis W¹,. undW₂₁ bis W24) vorgesehen sind,, zwischen denen das Objekt angeordnet ist(Figur 5).

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